Fiziķi, iespējams, ir saplaisājuši “zen” akmeņu stāvokli, kas līdzsvaroti uz ledus pamatnēm

Ziemā apmeklējiet Baikāla ezera mazo jūru Krievijā, un jūs, visticamāk, redzēsit neparastu parādību: plakana klints, kas līdzsvarota uz plānas ledus gultnes un atgādina japāņu dārzos izplatīto zen akmeņu krāvumu. Šo parādību dažreiz sauc par Baikāla dzen veidojumu. Šiem veidojumiem raksturīgais izskaidrojums ir tāds, ka klintis uztver gaismu (un siltumu) no saules, un tas izkausē ledu zem tā, lai paliktu plāna pamatne, kas tos atbalstītu. Ūdens zem klints atjaunojas naktī, un tiek uzskatīts, ka arī vējš var būt faktors.

Tagad divi franču fiziķi uzskata, ka ir atrisinājuši šo struktūru veidošanās noslēpumu, liecina jauns pētījums, kas publicēts Nacionālās Zinātņu akadēmijas izdevumos – un to risinājumam nav nekāda sakara ar akmens siltumvadītspēju. Tā vietā viņi veidošanos attiecina uz parādību, kas pazīstama kā sublimācija, kad sniegs vai ledus iztvaiko tieši tvaikos, neizlaižot ūdens fāzi. Konkrēti, akmens sniegtā ēna kavē apkārtējā ledus sublimācijas ātrumu tā tuvumā, bet attālais ledus sublimējas ātrāk.

Daudzi līdzīgi veidojumi dabā sastopami dabā, piemēram, galvassegas (augstas, aptverošas struktūras, kas miljoniem gadu veidojas nogulumiežu klintīs), sēņu ieži Vai klinšu pīlāri (pamatni iedragāja spēcīgs, putekļains vējš) un ledāju galdi (liels akmens, kas nedroši sēž virs šauras ledus pamatnes). Bet to veidošanās pamatmehānismi var būt pilnīgi atšķirīgi.

Piemēram, piemēram Mēs ziņojām pagājušajā gadāŅujorkas universitātes lietišķo matemātiķu komanda ir pētījusi tā sauktos “akmens mežus”, kas izplatīti dažos Ķīnas un Madagaskaras reģionos. Šie smailie klinšu veidojumi, piemēram, slavenie akmens mežs Ķīnas Yunnan provincē cietvielas izšķīst šķidrumos gravitācijas klātbūtnē, kā rezultātā rodas dabiskas konvekcijas plūsmas.

No virsmas šie akmens meži izskatās nedaudz līdzīginožēlotāji‘: Ir konstatēts, ka ļoti sausā gaisā augstu Andu ledājos veidojas ledus sniega gabali. Čārlzs Darvins 1833. gada ekspedīcijas laikā 1839. gadā aprakstīja nožēlojamos grēkus, kad viņš devās ceļā caur sniega laukiem, kas bija pārklāti ar nožēlu. Santjago, Čīlē, uz Argentīnas pilsētu Mendozu fiziķiem izdevās lai to atjaunotu Nožēlojamo cilvēku sintētiskās kopijas in vitro. Bet nožēlotāji un akmens meži patiesībā ir diezgan atšķirīgi to veidošanās mehānismu ziņā. Akmens meža tapas cirsts ar strautiem, kuriem nav liela nozīme grēku nožēlošanas veidošanā.

daži fiziķi jums ir ieteikums ka nožēlojamais forma, kad Saules gaisma sniegu iztvaiko tieši tvaikos (sublimācija). Veidojas nelielas virsotnes un sile, un saules gaisma tiek iesprostota iekšpusē, radot papildu siltumu, kas iegravē dziļākas teknes, un šīs izliektās virsmas savukārt darbojas kā lēcas, paātrinot sublimācijas procesu. ka alternatīvs ieteikums Tas pievieno papildu mehānismu, lai ņemtu vērā savdabīgo periodisko atstarpi starp nožēlotājiem: tvaika difūzijas un siltuma pārneses kombinācija rada ļoti strauju temperatūras gradientu un tādējādi lielāku sublimācijas ātrumu.

Baikāla dzen akmens veidojumu gadījumā process šķiet līdzīgs nožēlojamo cilvēku sublimācijas hipotēzei, uzskata līdzautori Nikolass Taberlets un Nikolā Plehons no Nacionālā zinātniskās pētniecības centra Lionā, Francijā. Šī mēneša sākumā, hmm Tika publicēts nedaudz saistīts pētījums Grāmatā Physical Review Letters par ledāju plūsmu dabisko veidošanos (klints, ko atbalsta plāna ledus kolonna). Viņi spēja kontrolētā vidē radīt nelielas mākslīgo ledāju plūsmas un atrada divus konkurējošus efektus, kas kontrolē ledāju veidošanos.

Ar mazākiem akmens vāciņiem ar augstāku siltumvadītspēju siltuma plūsmas ģeometriskā pastiprināšana izraisa vāciņa nogrimšanu ledū. Lielākam vāciņam ar zemāku siltumvadītspēju siltuma plūsmas samazināšanās rodas tāpēc, ka vāciņam ir augstāka temperatūra nekā apkārtējam ledum, veidojot galdu.

Šajā jaunākajā pētījumā Taberlet un Plihon vēlējās izpētīt mehānismus, kas ir Baikāla dzen struktūru dabiskās veidošanās pamatā. “Šīs parādības retums izriet no biezu, plakanu un bez sniega ledus slāņu trūkuma, kam nepieciešami ilgstoši auksti un sausi apstākļi,” rakstīja autori. “Laika ziņas liecina, ka atkausēšana ir gandrīz neiespējama, un tā vietā atmosfēras apstākļi (vējš, temperatūra, relatīvais mitrums) veicina sublimāciju, kas jau sen ir zināma kā raksturīga Baikāla ezera reģionam.”

Tāpēc pētnieki nolēma mēģināt reproducēt šo parādību laboratorijā, lai pārbaudītu savu hipotēzi. Viņi izmantoja metāla diskus kā eksperimentālus akmeņu analogus un novietoja diskus uz ledus bloku virsmas komerciālā žāvēšanas mašīnā. Instruments sasalst materiālu, pēc tam samazina spiedienu un pievieno siltumu, tāpēc sasalis ūdens sacietē. Metāla disku augstākā atstarošanas spēja salīdzinājumā ar akmeni neļāva diskiem pārkarst žāvētāja kamerās.

Ārpus zemes

Alumīnija un vara diski ražoja Baikāla Zen konfigurācijas, lai gan varam ir gandrīz divas reizes lielāka siltumvadītspēja nekā alumīnijam. Autori secināja, ka akmens termiskās īpašības šajā procesā nav kritisks faktors. “Tālu no akmens sublimācijas ātrums ir pakļauts izkliedētai saules gaismai, savukārt ēna, ko tā rada tās tuvumā, ierobežo sublimācijas procesu,” rakstīja autori. “Mēs parādām, ka akmens darbojas tikai kā nojume, kuras ēna kavē sublimāciju, tādējādi aizsargājot ledu zem tā, radot pjedestālu.”

Vēlāk to apstiprināja skaitliskās modelēšanas simulācijas. Taberlet un Plihon arī atklāja, ka iegremdēšana vai kritums, kas ieskauj pamatni, ir tālu infrasarkanā starojuma rezultāts, ko izstaro pats akmens (vai disks), uzlabojot vispārējo sublimācijas ātrumu tā tuvumā.

Tas ļoti atšķiras no procesa, kas noved pie ledus straumēm, neskatoties uz abu veidojumu līdzīgo formu. Ledus strautu gadījumā nojumes efekts ir tikai neliels faktors pamatā esošajā mehānismā. “Ledāju straumes parādās zemu augstumu ledājos, kad atmosfēras apstākļi izraisa ledus kušanu, nevis sublimāciju,” rakstīja autori. “Tie veidojas siltā gaisā, kamēr ledus paliek 0 ° C temperatūrā, bet zen akmeņi veidojas gaisā, kas ir vēsāks par ledu.”

Izpratne par to, kā šie veidojumi notiek dabiski, var palīdzēt mums uzzināt vairāk par citām Visuma lietām, jo ​​ledus sublimācija ir izraisījusi grēku nožēlu uz Plutonu un ietekmējusi ainavu veidošanos uz Marsa, Plutona, Ceres, Jupitera pavadoņiem, Saturna pavadoņiem un daudziem citiem. komētas. “Patiešām, NASA projekta Europa Lander mērķis ir meklēt vitāli svarīgus pirkstu nospiedumus uz ledus klātā Jupitera mēness, kura virsmas diferenciālā sublimācija var apdraudēt zondes stabilitāti, un tas ir pilnībā jāsaprot,” secināja pētnieki.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2109107118 (Par DOI).